模糊數學評價法優化驢乳奶啤穩定性的預處理參數及香氣成分分析

張劍林，殷 娜，陳言镕，王偉雄，鄧寧致，宋晶晶，古麗米熱·祖努納，姚榮濤，徐 敏，武 運*

（1.新疆農業大學 食品科學與藥學學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.烏魯木齊市奶業協會，新疆 烏魯木齊 830000）

驢乳資源作為新疆特種乳源和富硒食品之一，有著得天獨厚的發展優勢，驢乳中總蛋白（1.57%～1.76%）、總脂肪（1.16%～1.47%）、硒（10 mg/100 g）、乳糖（6.33%～7.32%）、微量元素等的含量與牛乳、羊乳相比，更接近母乳[1-4]，是一種極有前途的母乳代用品，其豐富的營養價值逐漸受到消費者的青睞。國內在1995年雷天富等[5]對馬奶啤酒生產工藝和各種配方進行詳細介紹，國外對于驢乳奶啤的研究還鮮見報道。驢乳奶啤通過二次發酵制得，產品富含豐富的蛋白質、多種維生素和氨基酸等[6]，既具有啤酒適度殺口力等特征，又具有乳飲料的酸甜適口等特點[7-8]。由于奶啤是酸性乳飲料且含有大量乳脂肪和乳酪蛋白，在貯藏期間乳清析出、絮狀沉淀等現象的產生，嚴重影響貯藏期和貨架期的產品品質[9-11]。因此需加入適量的穩定劑、品質改良劑等，此外乳飲料的關鍵所在是在產品中添加適量的穩定劑，使產品預期的穩定狀態有所改善[12-13]，選擇復配穩定劑比單一穩定劑效果佳[14-15]。

模糊數學評價法（fuzzy math ematics evaluation method，FMEM）通過構建數學模型確定影響因素與評價指標，實現對樣品感官品質的綜合評判[16]，可有效彌補因傳統主觀因素評價導致客觀誤差大的不足[17]。主成分分析（principalcomponent analysis，PCA）可通過對眾多變量的線性變換得出變量間的內在關聯[18-19]。

本試驗以驢乳奶啤為原料，通過添加復配穩定劑探討其黏度、持水力及穩定性系數，此外以模糊數學評價法對不同預處理參數下的驢乳奶啤進行綜合評價，結合氣相色譜-質譜聯用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）技術實現預處理條件的優化，并綜合運用模糊數學評價（FMEM）、主成分分析（PCA）對驢乳奶啤穩定性進行研究，以期為驢乳奶啤的開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

驢乳奶啤（蛋白質2.8 g/100 g、脂肪1.6 g/100 g）：新疆農業大學食品科學與藥學學院食品生物發酵與質量安全研究室研制；牛乳奶啤（蛋白質0.6 g/100 g、脂肪0.5 g/100 g）：新疆農業大學百順超市；海藻酸丙二醇酯（propylene glycol alginate，PGA）：浙江匯泉生物科技有限公司；果膠：新疆阜豐生物科技有限公司；羧甲基纖維素鈉（carboxymethyl cellulose-Na，CMC-Na）：山東力宏寶冠纖維素有限公司；海藻酸鈉：青島明月海藻集團有限公司；單甘脂：江蘇佰耀生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

PTX-FA210電子天平：福州華志科學儀器有限公司；HWS-26型恒溫水浴鍋：光明醫療（北京）儀器廠；LDZX-50KBS高壓滅菌鍋：上海申安醫療器械廠；50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取頭及萃取手柄：上海安譜實驗科技股份有限公司；TQ8040NX三重四極桿型氣質聯用儀：日本SHIMADZU公司；JM-L50型膠體磨：溫州市龍灣永興華威機械廠；SF-TDL-40D臺式高速離心機：湘儀儀器（長沙）有限公司；SNB-2黏度計：上海方瑞儀器有限公司；TU-1810紫外可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司。

1.3 方法

1.3.1 復配穩定劑對驢乳奶啤穩定性影響實驗

取9份等量驢乳奶啤，編號為1～9號，穩定劑分別選取單甘脂（A）、海藻酸丙二醇酯（B）、果膠（C），1～9號驢乳奶啤樣品經添加不同復配穩定劑條件處理：1號（0.05%A，0.10%B，0.20%C）、2號（0.15%A，0.10%B，0.20%C）、3號（0.15%A，0.20%B，0.20%C）、4號（0.05%A，0.15%B，0.10%C）、5號（0.10%A，0.15%B，0.20%C）、6號（0.10%A，0.20%B，0.30%C）、7號（0.15%A，0.15%B，0.30%C）、8號（0.10%A，0.10%B，0.10%C）、9號（0.15%A，0.15%B，0.10%C），分別用膠體磨處理2.5 min，經17 MPa壓力下均質8 min后，在80 ℃條件下殺菌30 min，冷卻后用玻璃瓶灌裝儲存。

1.3.2 分析檢測

（1）離心沉淀率測定

準確稱量10mL驢乳奶啤樣品于離心管中，以3 000 r/min離心15 min后，倒去上清液，將離心管倒扣5 min后稱量沉淀物質量[20]。離心沉淀率越大，說明此體系越不穩定，反之則越穩定。離心沉淀率計算公式如下：

式中：SR為離心沉淀率，%；m1為樣品溶液離心后沉淀物的質量，g；m2為樣品溶液離心前的質量，g。

（2）黏度的測定

利用SNB-1黏度計檢測3次驢乳奶啤黏度，并將數據均值處理[21]。

（3）穩定性系數的測定

將驢乳奶啤樣品在3 500 r/min的條件下離心10 min，取上清液稀釋100 倍，在波長710 nm條件下測定其吸光度值A2，與離心前的吸光度值A1的比值為穩定性系數R，其計算公式如下：

若R≥95%，則表明產品穩定性良好[22]。

1.3.3 揮發性成分的測定

驢乳奶啤揮發性香氣成分測定采用GC-MS法。

樣品前處理：采用頂空-固相微萃取（head space solidphase micro-extractions，HS-SPME）法，吸取5 mL驢乳奶啤樣品，放入20 mL帶有硅膠墊帽的萃取瓶中，加入2.2 g NaCl，立即密封，于45 ℃水浴中預平衡15 min后，推出老化過的萃取頭，頂空吸附40 min。取出萃取針頭后進樣，250 ℃解吸5 min。

GC條件：SHIMADZU InertCap WAX色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；程序升溫：進樣口溫度為250 ℃，初始溫度為40 ℃保持12 min，以4 ℃/min升至250 ℃。進樣模式：不分流進樣；色譜柱流速為1 mL/min。

MS條件：電離方式為電子電離（electronic ionization，EI）源；載氣為高純度氦氣（He）；離子源溫度230 ℃；數據采集方式Q3 Scan；掃描范圍35～400 m/z。

定性定量方法：將分析得到的氣相色譜圖與質譜離子碎片圖譜與美國國家標準技術研究所（national institute of standardsandtechnology，NIST）數據庫中標準圖譜進行比對，正反匹配率＞800的表示定性準確。按照面積歸一化法來計算各種化合物的相對百分含量。

1.3.4 感官評定

由20名從事相關專業的人士組成感官評價小組，分別從添加復配穩定劑9組預處理條件下驢乳奶啤的色澤、口感、形態、風味等4個指標進行感官綜合評價，滿分100分，驢乳奶啤的感官評價標準見表1[23]。

表1 驢乳奶啤感官評價標準Table 1 Sensory evaluation standards of donkey milk beer

1.3.5 建立模糊數學綜合評價模型

根據表1，對不同條件下驢乳奶啤的感官指標進行模糊數學綜合評價，并建立評價級。

評價對象集U，代表進行感官評價的9種驢乳奶啤樣品集合。U={u1，u2，u3，u4，u5，u6，u7，u8，u9}，其中u1～u9分別代表9種不同發酵條件驢乳奶啤樣品，uj代表9種驢乳奶啤的綜合評價，其中j=1，2，3，4，5，6，7，8，9。

評價因素集R={v1，v2，v3，v4}，其中，v1～v4分別代表評價驢乳奶啤的4個評價指標。即R={色澤，口感，形態，風味}。

評價得分集B={b1，b2，b3，b4}，其中，b1～b4分別代表優、良、中、差4個等級評價結果，對應的分值是90，80，70和60。即B={優，良，中，差}={90，80，70，60}。權重集X={x1，x2，x3，x4}，根據表1設置權重X={0.2，0.3，0.2，0.3}。

1.3.6 主成分分析

通過考察牛乳奶啤、5號驢乳奶啤、9號驢乳奶啤共有的18種成分進行相關性多元統計分析，將3個樣品中的18種香氣化合物轉化成2個獨立的主成分，觀察其方差貢獻率，在此基礎上進行因子負荷矩陣旋轉，解釋第一個主成分與第二個主成分間因子變量，再以主成分（principal component，PC）1為橫坐標，PC2為縱坐標繪制載荷圖，分析3組奶啤香氣品質差異狀況。

1.3.7 數據分析

所有樣品均進行3組平行試驗，分別采用Origin 8.5、SPSS 26.0軟件對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 復配穩定劑對驢乳奶啤穩定性的影響

由表2可知，不同復配穩定劑的配比對驢乳奶啤穩定性系數、黏度、離心沉淀率影響較為明顯。其中，穩定性系數R≥95%的樣品組及離心沉淀率最低的兩組分別為5號樣品和9號樣品，其穩定性系數分別為（98.23±0.17）%、（95.21±0.14）%，離心沉淀率分別為（5.21±0.14）%、（5.28±0.11）%；穩定性系數最低和離心沉淀最高的兩組分別為1號與2號樣品，其穩定性系數分別為（80.25±0.06）%、（84.34±0.14）%，離心沉淀率分別為（5.94±0.23）%、（84.34±0.14）%；黏度最高與最低組分別為6號與4號，其黏度分別為（52.81±0.17）%、（35.25±0.11）%，說明黏度與復配穩定劑總量的多少呈正比關系，復配穩定劑總量增加則黏度隨之增加，反之減少；通過以上離心沉淀率及穩定性指標數據，添加復配穩定劑后樣品穩定性最佳為5號樣品，9號樣品次之。

表2 復配穩定劑對驢乳奶啤穩定性的影響Table 2 Effect of compound stabilizer on the stability of donkey milk beer

2.2 基于模糊數學的感官評價分析

20名感官評定人員對9組樣品進行感官評定打分，每個等級的各項指標票數統計結果見表3。

表3 不同預處理參數下驢乳奶啤的感官評定結果Table 3 Sensory evaluation results of donkey milk beer under different pretreatment parameters

由表3可知，20人對9個樣品的評價矩陣Rj如下，Rj由樣品j的色澤、口感、形態、風味在評分等級優、良、中、差中的票數比率組成。以1號樣品為例，將不同條件下添加復配穩定劑驢乳奶啤評價指標各等級的評定人數除以總人數，可建立色澤、口感、形態、風味4個因素的模糊評定矩陣如下：

根據模糊變換原理，利用矩陣乘法，將權重集合A乘以模糊數學關系矩陣Rj，可以得到樣品對4個因素的綜合隸屬度Tj，以1號（0.05%A，0.10%B，0.20%C）樣品為例，綜合隸屬度T1如下：

同理，可得其他不同條件下驢乳奶啤的模糊評價結果，將各個樣品的綜合評判結果分別乘以其對應的分值（優、良、中、差依次被賦予分值90分、80分、70分、60分），經過加和后，即得每個樣品最終感官評分。如1號樣品最終感官評分=0.390×90+0.435×80+0.175×70+0.000×60=82.15分，所有樣品的最終模糊評判結果和綜合評分見表4。

由表4可知，9組樣品的模糊評價結果和綜合評分差異較大，表明不同預處理條件下驢乳奶啤感官品質影響顯著。其中，綜合評分最高的樣品為5號，為84.20分，9號樣品次之，為83.70分；綜合評分最低的兩組樣品為2號和3號，分別為73.90分和75.35分。結果表明，驢乳奶啤良好的穩定特性受單甘脂、海藻酸丙二醇酯、果膠復配的影響，依據綜合評分結果，綜合考慮不同條件下驢乳奶啤的最佳預處理參數為0.10%A、0.15%B、0.20%C，即單甘脂添加量0.10%、海藻酸丙二醇酯添加量0.15%、果膠添加量0.20%，其次為0.15%A、0.15%B、0.10%C，即單甘脂添加量0.15%、海藻酸丙二醇酯添加量0.15%、果膠添加量0.10%。

表4 不同處理條件下驢乳奶啤的綜合評判結果Table 4 Comprehensive evaluation results of donkey milk beer under different treatment conditions

2.3 牛奶奶啤與添加不同復配穩定劑驢乳奶啤的揮發性風味成分分析

采用GC-MS分析綜合評分較優的5號、9號驢乳奶啤樣品及牛乳奶啤，結果見表5。由表5可知，從牛乳奶啤與2種驢乳奶啤樣品揮發性成分中共鑒定出79種揮發性香氣成分，包括醇類11種、酯類25種、醛類8種、酸類12種、酮類6種、苯類2種、烷烴類12種、萜烯類2種、其他類1種，其中牛乳奶啤中共檢出46種香氣成分；5號驢乳奶啤中共檢出52種香氣成分；9號驢乳奶啤中共檢出44種香氣成分。牛乳奶啤及2種驢乳奶啤中共有揮發性風味物質18種，其中醇類化合物3種，酯類化合物5種，醛類化合物3種，烷烴類化合物2種，酸類化合物4種，萜烯類化合物1種，共有化合物數量僅占總風味化合物數量（79種）的22.78%，說明牛乳奶啤與驢乳奶啤揮發性成分的組成存在明顯差異。5號和9號驢乳奶啤共有物質37種，說明這兩種驢乳奶啤的香氣相似度較高。

2.4 奶啤香氣成分類別分析比較

綜合評分較優的5號、9號驢乳奶啤樣品及牛乳奶啤揮發性香氣物質類別含量結果見表5及圖1。

表5 牛乳奶啤與添加不同復配穩定劑驢乳奶啤的揮發性成分比較Table 5 Comparison of volatile components in cow milk beer and donkey milk beer with different compound stabilizers

續表

圖1 牛乳奶啤、5號及9號驢乳奶啤的揮發性成分類別含量比較Fig.1 Comparison of volatile components category content in cow milk beer and No.5 and No.9 donkey milk beer

由圖1可知，在牛乳奶啤與兩組驢乳奶啤中，每類香氣化合物的相對含量均存在一定差異，其中醇類、酸類、萜烯類香氣成分相對含量最多的是5號驢乳奶啤；酯類、酮類以及其他類香氣成分相對含量最多的是牛乳奶啤；醛類、苯類、烷烴類香氣成分相對含量最多的是9號驢乳奶啤；苯類、酮類、萜烯類香氣成分的相對含量在3組奶啤中較少，其他類在兩組驢乳奶啤中沒有出現。

2.5 奶啤主要香氣成分主成分分析

驢乳奶啤的主體風味成分不僅受揮發性物質含量的影響，而且與風味閾值密切相關[24]。酯類及醇類化合物是驢乳奶啤中含量較高且種類最為豐富的一類香氣化合物，主要賦予食物水果香和酒香[25]。如酯類中乙酸己酯有類似蘋果和梨的香氣；丁酸乙酯具有草莓香氣；醇類中乙醇有特殊的香氣；異戊醇具有醇香；異丁醇具有苦杏仁香氣[26]。萜類化合物具有濃郁的花香和木香，其感官閾值比較低，能賦予驢乳奶啤特殊的香氣，檸檬烯具有橙子和檸檬的香氣[27]。

當香氣成分中某種物質的濃度大于等于其閾值時才會被人體嗅覺所感知，將3個樣品中共有的乙醇、乙酸異戊酯、異戊醇等18種香氣化合物作為關鍵香氣成分進行主成分分析，結果見表6。由表6可知，將3個樣品中的18種香氣化合物轉化成2個獨立的主成分，其中兩個主成分的方差貢獻率為83.52%和16.48%，累計貢獻率達到100.00%。

表6 牛乳奶啤、5號及9號驢乳奶啤中共有18種香氣成分解釋的總方差Table 6 Total variance explained by 18 common aroma components in cow milk beer and No.5 and No.9 donkey milk beer

通過因子負荷矩陣旋轉后的結果見表7。由表7可知，第一個主成分與乙醇、乙酸異戊醇、異戊醇、環辛四烯、壬醛、葵醛、十七烷、十八烷、苯甲醛、2,6-二羥基苯甲酸、己酸化合物呈極大的正相關，因此第一個因子主要解釋這11個變量；第二個主成分與乙酸異戊酯、異戊醇、十八烷、2,6-二羥基苯甲酸等呈極大的正相關，因此第二個因子主要解釋這4個變量。

表7 牛乳奶啤、5號及9號驢乳奶啤中共有18種香氣成分旋轉后的因子負荷矩陣Table 7 Rotation factor loading matrix of 18 common aroma components in cow milk beer and No.5 and No.9 donkey milk beer

以主成分（principal component，PC）1為橫坐標，PC2為縱坐標繪制載荷圖見圖2。由圖2可知，牛乳奶啤與兩組驢乳奶啤中的18種香氣化合物在PC1正半軸分布較為散亂，在PC2正半軸分布較為集中，說明3組奶啤香氣品質存在差異。十八烷、異戊醇、己酸、乙醇、十七烷、苯甲醛、壬醛、環辛四烯等8種香氣化合物分布較為集中，主要代表驢乳奶啤的香氣。正己酸乙酯、苯乙醇、乙酸苯乙酯、辛酸乙酯、辛酸、葵酸乙酯、葵酸等7種香氣化合物分布較為集中，主要代表牛乳奶啤中的香氣。3個樣品中都含有苯乙醇，該物質香味獨特，具有玫瑰香、茉莉花香等多種香味[28]，說明苯乙醇對驢乳奶啤的風味起重要作用。牛乳奶啤與驢乳奶啤中揮發性成分的含量和組成差異較大，其中5號驢乳奶啤樣品中檢測出更多的揮發性風味物質，可能是由于驢乳本身成分及二次發酵過程中添加菌種和控制溫度等因素導致的，說明5號驢乳奶啤的風味更豐富。

圖2 牛乳奶啤、5號及9號驢乳奶啤中共有18種香氣成分的載荷圖Fig.2 Load diagram of 18 common aroma components in cow milk beer and No.5 and No.9 donkey milk beer

3 結論

本試驗以色澤、香味、滋味、形態4 個因素為評價指標，基于模糊數學評價法對驢乳奶啤的9組預處理參數進行優化，發現不同預處理參數對驢乳奶啤的感官品質影響顯著，其中5號樣品綜合評分最高。在此基礎上，對綜合評分較高的5號和9號樣品進行揮發性風味成分分析，結果表明，5號樣品揮發性成分種類最多，香氣濃郁且無異味，與綜合模糊評判結果一致，因而確定驢乳奶啤的最佳預處理參數為單甘脂添加量0.10%、海藻酸丙二醇酯添加量0.15%、果膠添加量0.20%。

采用HS-SPME-GC-MS法從牛乳奶啤及2種驢乳奶啤樣品中共檢測出79種香氣化合物，包括醇類11種、酯類25種、醛類8種、酸類12種、酮類6種、苯類2種、烷烴類12種、萜烯類2種、其他類1種。牛奶奶啤、5號及9號驢乳奶啤中分別共檢出46種、52種、44種香氣成分，其中5號驢乳奶啤樣品的香氣成分呈香更為豐富，GC-MS分析結果與綜合模糊評判結果一致。